View message

Блискавки – грізне і заворожливо прекрасне явище природи. З давніх-давен вони вважаються символом надлюдської сили й величі – недаремно головним у пантеоні богів-олімпійців є Бог грому і блискавок Зевс (у римській міфології – Юпітер). Проте з розвитком технологій людство зіткнулося з необхідністю вивчення та передбачення грозової активності для мінімізації збитку, якого завдають блискавкові розряди (лише у США вони спричинюють у середньому за рік 22 600 пожеж і загибель 26-ти осіб, а страхові виплати перевищують $1 млрд).

Але традиційний моніторинг із поверхні Землі у видимому діапазоні спектра не дає змоги відстежити більшість блискавок. На жаль, застосування космічних технологій теж кардинально не поліпшує ситуацію: через обмеженість поля зору супутника, високу швидкість його руху та наявність хмарного покриву значна частина блискавок, як і при спостереженнях із поверхні, лишається «за кадром». І тут у нагоді стають сучасні радіофізичні методи дистанційної діагностики, які дозволяють реєструвати випромінювання більшості блискавок у радіодіапазоні та відстежувати їх на великій відстані. Особливо ефективно можна вимірювати сигнали від блискавок у наднизькочастотному (ННЧ) діапазоні (3-300 Гц). Річ у тім, що ННЧ-хвилі, які випромінює грозовий розряд, мають дуже низьке загасання (лише близько 1дБ на 1000 км), а тому здатні багато разів огинати земну кулю. Тож у порожнині між Землею та нижньою іоносферою постійно існує так званий глобальний електромагнітний резонанс, названий шуманівським (ШР) на честь його першовідкривача – німецького фізика Вінфріда Шумана (1888-1974). ШР акумулює сигнали від усіх світових блискавок, і його спостереження навіть з одного пункту дають змогу контролювати грозову активність на всій планеті.

Учені Інституту радіофізики та електроніки (ІРЕ) імені О.Я. Усикова НАН України та (згодом) Радіоастрономічного інституту (РІ) НАН України ще з середини минулого століття активно досліджують цей глобальний резонанс і розробили низку оригінальних методик діагностики світових гроз та стану нижньої іоносфери. Натурні вимірювання показали, що якісно реєструвати сигнали віддалених грозових розрядів у промислово розвинених регіонах планети дуже складно через потужні техногенні завади й випромінювання «ближніх» гроз. З ініціативи члена-кореспондента НАН України Юрія Ямпольського (РІ НАН України) 2002 року на Українській антарктичної станції «Академік Вернадський» було розпочато безперервний моніторинг грозових сигналів у діапазоні ШР (рис.1).

Рис.1. Пункт ННЧ-реєстрації в Антарктиці (станція «Академік Вернадський»)

Ці спостереження здійснюються під патронатом Національного антарктичного наукового центру в рамках Державної цільової науково-технічної програми проведення досліджень в Антарктиці. Станція є унікальним місцем для вивчення глобальної грозової активності. По-перше, тут рекордно низький рівень техногенних завад. По-друге, вона практично рівновіддалена від трьох основних центрів світової грозової активності, розташованих у Південно-Східній Азії, Африці та Латинській Америці. І нарешті, в Антарктиді не буває місцевих гроз, які суттєво заважають електромагнітним спостереженням. Сукупність цих чинників забезпечує високу якість антарктичних даних і дозволяє українським ученим вже близько 20-ти років відслідковувати грозові розряди у планетарному масштабі.

Варто відзначити ще один аспект, який робить вивчення світових гроз особливо актуальним, – їхній зв’язок із глобальною температурою. Оскільки грозові хмари утворюються конвекцією (перенесенням тепла) атмосфери, можна очікувати, що енергія блискавкових розрядів, накопичена у ШР, буде пов’язана з температурою суходолу. І справді, якщо температура підстильної поверхні підвищується, то конвекція посилюється, стимулюючи випаровування вологи і винесення парів у верхні шари тропосфери. Що більша вологість повітря й вища температура поверхні, то потужніші грозові хмари. Тому інтенсивність шуманівского резонансу має залежати від температури суходолу, над яким відбувається більшість блискавкових розрядів, і цю залежність можна використовувати для моніторингу глобальних змін клімату.

Така можливість обговорювалася з 1990-х років (Price and Rind, 1990, Williams, 1992). Дані вимірювань сигналів ШР, отримані за відносно невеликі інтервали часу (рік або кілька років), підтвердили ідею, що глобальний електромагнітний резонанс дійсно виявляється своєрідним термометром і дозволяє відстежувати температуру поверхні суходолу в різних інтервалах широт.

Проте порівняння з даними практично 20-річного неперервного моніторингу, що його українські вчені проводять в Антарктиці, показали, що зв’язок температури й інтенсивності сигналів ШР не є простим і, аби відстежувати процес глобального потепління за параметром резонансу («шуманівський термометр»), потрібно таку методику ретельно «відкалібрувати». Спостереження виявили, що найзначущішим довгостроковим трендом у поведінці інтенсивності сигналів ШР є не її монотонне зростання, як було б у випадку впливу глобального потепління, а періодичність, зумовлена 11-річними циклами сонячної активності (Koloskov et al., 2020). Причиною відкритих періодичностей є зміни параметрів нижньої іоносфери, котра відіграє роль верхньої межі резонатора, змінюється синхронно з активністю Сонця та впливає на інтенсивність сигналів ШР.

Наразі харківські вчені з РІ НАН України спільно з колегами із Массачусетського технологічного інституту (США) й Інституту геодезії та геофізики Угорської академії наук займаються інтерпретацією і фізичним моделюванням отриманих експериментальних даних. Серед імовірних причин виникнення зафіксованої 11-річної циклічності сигналів ШР розглядаються модуляція параметрів нижньої іоносфери рентгенівським випромінюванням Сонця, зміни потоку галактичних космічних променів і варіації «висипань» енергійних електронів з магнітосфери до іоносфери в полярних областях. Удосконалення фізичних моделей, що описують внесок запропонованих механізмів у варіації сигналів глобального резонансу, дозволить розрахувати закономірності, пов’язані з сонячним циклом. Видаливши ці складові з часової поведінки параметрів ШР, можна буде позбутися впливу середовища поширення сигналів і відтворити «у чистому вигляді» варіації, пов’язані з джерелом – світовими грозами. Це дозволить достовірніше використовувати «шуманівський термометр» для відстеження процесу глобального потепління.

Слід зауважити, що вищеописані ефекти стосуються інтегральної грозової активності (усередненої по великій поверхні, співмірній із площею цілого континенту). Водночас, на Землі щосекунди відбувається близько сотні блискавкових розрядів, а частота найпотужнішого першого моду шуманівського резонансу приблизно вдесятеро менша (близько 8 Гц, або 8 коливань на секунду). Тому відстежити в ННЧ-сигналі кожну блискавку не видається можливим. Але крім звичайних розрядів існують і суперблискавки величезної потужності, які виникають не поблизу поверхні, а на висотах у кількадесят кілометрів. Енергія таких подій значно перевершує потенціал звичайних розрядів і їх можна виокремити в ННЧ-записах у вигляді сплесків випромінювання. Ці унікальні явища було вперше зафіксовано з борту космічних апаратів, а згодом їх змогли побачити і з поверхні Землі. Зрозуміло, що фіксувати подібні події в оптичному діапазоні непросто, а відстежити їх динаміку в глобальному масштабі ще складніше. І тут на допомогу знову приходять методи дистанційної радіодіагностики.

Вони дають змогу навіть з одного пункту фіксувати більшість суперблискавок, а якщо таких пунктів два і більше, то можна організувати локацію (визначення розташування) цих подій по всій земній кулі. Для вирішення цього завдання фахівці РІ НАН України створили ще один постійний пункт ННЧ-моніторингу в Арктиці на острові Свальбард норвезького архіпелагу Шпіцберген (рис.2).

Рис.2. Пункт ННЧ-реєстрації в Арктиці – острів Свальбард (архіпелаг Шпіцберген, Норвегія)

Цей пункт постачає дані з жовтня 2013 року. Як відбуватиметься локація суперблискавок – показано на рис.3.

Рис.3. Схема двопозиційної локації надпотужних блискавок

Спочатку в кожному пункті порівнюються параметри сплесків, які надійшли з двох ортогональних приймальних магнітних антен. За цими даними можна обчислити напрям на грозовий розряд із кожного пункту спостереження та визначити координати точок перетину ліній пеленга на джерело випромінювання. З огляду на особливості сферичної геометрії, таких точок перетину на земній поверхні буде дві. Обрати правильну можна, визначивши до якого з пунктів спостереження сигнал дійшов раніше.

Звичайно, такі прецизійні спостереження можливі тільки у вільних від техногенних завад регіонах і потребують застосування дуже якісної вимірювальної апаратури. І в Антарктиці, і в Арктиці використовується висококласна апаратура, розроблена Львівським центром Інституту космічних досліджень НАН України та ДКА України. Отже, глобальний грозопеленгатор Антарктида-Арктика є виключно національною системою, методичну, програмну й апаратну підтримку якої забезпечують українські фахівці.

Рис.4. Угорі – результати картографування надпотужних блискавок за повний рік (2015-й) ННЧ-спостережень; унизу – усереднені дані щодо розподілу блискавкових спалахів за даними оптичних спостережень із космосу (відповідно до: Christian et al., 2003)

На верхній панелі рис.4 як приклад показано результати картографування суперблискавок за повний рік спостережень. На нижній панелі рис.4 показано результати моніторингу блискавкових спалахів за даними оптичних спостережень із космосу (Christian et al., 2003). Відповідність результатів, отриманих обома методами, очевидна. Нагадаємо, що спостереження з космосу потребують значно більших фінансових витрат і дають змогу відстежувати тільки ті розряди, які в момент спостереження перебувають у полі зору камер супутника (області 1300х1300 км²).

Методики й апаратура для локації надпотужних блискавок постійно вдосконалюються та оновлюються. Скажімо, у 2019 році на станції «Академік Вернадський» відбулись успішні тестові випробування установки локації блискавок у діапазоні дуже низьких частот (ДНЧ, 3‑30 кГц; рис.5). Вимірювальне обладнання й оригінальні алгоритми обробки сигналів розробили фахівці ІРЕ імені О.Я. Усикова НАН України. ДНЧ-комплекс у цілому дозволяє визначати координати блискавок із більшою точністю, ніж ННЧ-система, але має обмеження за  дальністю – близько 10 тис. км.

Рис.5. Тестування ДНЧ-установки в Антарктиці (станція «Академік Вернадський», 2019 рік)

Спільна робота обох ННЧ- і ДНЧ-систем в Антарктиці уможливить подальше уточнення параметрів розрядів, які стаються в Латинській Америці, на Африканському континенті та у південних регіонах Атлантики й Тихого океану. У перспективі зі зростанням швидкодії каналу Інтернет-зв’язку з Українською антарктичною станцією дані грозопеленгатора відразу ж передаватимуться в Україну, що дозволить здійснювати локацію блискавок у режимі реального часу. Дані з Арктичного пункту спостережень вже передаються й обробляються у реальному часі. Знайти їх можна на сайті відділу радіофізики геокосмосу РІ НАН України.

 

Корисні посилання:

• Price C., Rind D. (1990) The effect of global warming on lightning frequencies. In: Proceeding 16^th conference on severe storms and atmospheric electricity, AMS, Kananski Park, Alberta, Canada, pp 748–751.
• Williams, E.R. (1992), The Schumann resonance: a global tropical thermometer, Science, 256, 1,184–1,188.
• A.V. Koloskov, A.P. Nickolaenko, Yu.M. Yampolsky, Chris Hall, O.V. Budanov (2020) Variations of global thunderstorm activity derived from the long-term Schumann resonance monitoring in the Antarctic and in the Arctic, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Available online 10 March 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jastp.2020.105231
• Christian, H.J., Blakeslee, R.J., Boccippio, D.J., Boeck, W.L., Buechler, D.E., Driscoll, K. T., Goodman, S.J., Hall, J.M., Koshak, W.J., Mach, D.M., Stewart, M.F., 2003. Global frequency and distribution of lightning as observed from space by the Optical Transient Detector. J. Geophys. Res. 108 (D1), 4005. https://doi.org/10.1029/2002JD002347.

Додатково з теми

За інформацією РІ НАН України